DE102020104435A1

DE102020104435A1 - Vorrichtung zur modell-basierten Kalibrierung von Heiz- und/oder Klimaanlagen in einem Kraftfahrzeug mit einem Simulationsrechner

Info

Publication number: DE102020104435A1
Application number: DE102020104435.6A
Authority: DE
Inventors: Patrick Jahn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2021-08-26

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur modell-basierten Kalibrierung von Heiz- und Klimaanlagen in einem Kraftfahrzeug mit einem Simulationsrechner weist ein erstes Simulationsmodul zur Bestimmung einer statischen Gleichgewichtstemperatur jeweils für einen bestimmten vorausliegenden Betriebspunkt und ein zweites Simulationsmodul zur Bestimmung eines transienten Temperaturverlaufs auf Basis eines PT-1 Gliedes auf, wobei die jeweilige statische Gleichgewichtstemperatur oder die Differenz von der aktuellen Temperatur zur jeweiligen Gleichgewichtstemperatur als jeweilige Multiplikationskonstante des PT-1 Gliedes festgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur modell-basierten Kalibrierung von Heiz- und/oder Klimaanlagen in einem Kraftfahrzeug mit einem Simulationsrechner.
Grundsätzlich sind Vorrichtungen zur modell-basierten Kalibrierung und Entwicklung von Kraftfahrzeug-Komponenten mit einem Simulationsrechner bereits für verschiedene Anwendungsbereiche bekannt. Beispielsweise wird eine derartige Vorrichtung zur Kalibrierung und Entwicklung von wärmeerzeugenden Kraftfahrzeugkomponenten in der DE 10 2015 217 177 A1 beschrieben. Hierbei wird insbesondere auf die Problematik von transienten Temperaturverhalten bei Komponenten mit Wärmeintrag eingegangen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei der Entwicklung von Heiz- und/oder Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge die Genauigkeit der Simulationsrechner zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen enthalten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur modell-basierten Kalibrierung von Heiz- und Klimaanlagen in einem Kraftfahrzeug mit einem Simulationsrechner weist ein erstes Simulationsmodul zur Bestimmung einer statischen Gleichgewichtstemperatur jeweils für einen bestimmten vorausliegenden Betriebspunkt und ein zweites Simulationsmodul zur Bestimmung eines transienten Temperaturverlaufs auf Basis eines PT-1 Gliedes auf, wobei die jeweilige statische Gleichgewichtstemperatur oder die Differenz von der derzeitigen Temperatur zur jeweiligen Gleichgewichtstemperatur als jeweilige Multiplikationskonstante des PT-1 Gliedes festgelegt ist.
Vorzugsweise ist eine weitere Eingangsgröße des zweiten Simulationsmoduls eine bekannte empirisch ermittelte Zeitkonstante für das PT-1 Glied, die auf vorangegangenen Messungen in einem realen Testfahrzeug beruht.
Eine weitere Eingangsgröße des zweiten Simulationsmoduls ist vorzugsweise die jeweilige Ist-Temperatur als Additionskonstante für das PT-1 Glied.
Die Änderungsrate des PT-1 Gliedes ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung im zweiten Simulationsmodul durch die zeitlich definierten gleichen Abstände der vorgegebenen Betriebspunkte zur Bestimmung der jeweiligen Gleichgewichtstemperatur im ersten Simulationsmodul vorgegeben.
Insbesondere das zweite Simulationsmodul kann durch ein Softwareprogramm ausgestaltet sein und ist somit als Computerprogrammprodukt handelsfähig.
Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:

Ausgangspunkt der Erfindung ist eine sogenannte „Black Box“- Modellierung im ersten Simulationsmodul, die bereits bei anderen Anwendungsbereichen, wie bei der Verbrennungsmotorentwicklung, grundsätzlich als Simulationsmethode bei modell-basierten Kalibrierungsverfahren bekannt ist.

Bekannte Verfahren gehen von statischen Bedingungen aus und sind nicht für das transiente Verhalten bei der Simulation von langsamen Prozessen, wie insbesondere beim Heizen der Frischluftzuführung und des Fahrgastraumes bei Kraftfahrzeugen, anwendbar.
Erfindungsgemäß werden sowohl die statischen als auch die dynamischen Temperatur-Zustandswerte (zeitkonstant) für einen bestimmten Betriebspunkt berücksichtigt, die empirisch gemessen und/oder durch zusätzliche Simulationen ermittelt wurden. Das transiente Verhalten wird dann basierend auf der Differenz zwischen einer Ist-Temperatur und einer erwarteten Gleichgewichtstemperatur bei vorausbestimmter Zeitkonstante reproduziert.
Das erfindungsgemäße zweite Simulationsmodul (insbesondere in Form eines Software-Funktionsmoduls) nutzt das Ergebnis dieser empirischen Messungen, um iterativ die Temperatur einer Luftzuführung zu simulieren.
Die Erfindung kann zur automatisierten Erzeugung der Klimaapplikationen verwendet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch zur Hardwareentwicklung, zur Ableitung von Systemanforderungen oder zur Abschätzung von Entwicklungsrisiken eingesetzt werden. Zudem ist beispielsweise auch die Entwicklung neuer Heiz- und Klimaregelungskonzepte für Fahrzeuge auf der Basis der in den Simulationsmodulen vorliegenden Modelle möglich. Insbesondere könnte das zweite Simulationsmodul in einem Steuergerät zur Heiz- und Klimaregelung integriert werden.
Die wichtigsten physikalischen Größen dabei sind insbesondere Lufttemperaturen an den Ausströmern im Fahrzeuginnenraum, aber vorzugsweise auch die Verdampfertemperatur, die Klappenpositionen und/oder die Gebläseleistung.
Erfindungsgemäß wird also ein an sich bekanntes statisches Black-Box Modell (erstes Simulationsmodul) mit einem neuen transienten Korrekturmodell (zweites Simulationsmodul) kombiniert. Bekannte Black-Box Modelle sind dafür ausgerichtet, eine statische Gleichgewichtstemperatur für einen bestimmten Betriebspunkt vorauszubestimmen.
Erfindungsgemäß wird also bei dem neuen transienten Korrekturmodell die empirisch ermittelte Zeitkonstante eines PT-1 Gliedes zugrunde gelegt und der Temperaturverlauf von einem Ist-Temperaturwert bis zum erwarteten Gleichgewichtstemperaturwert bei einem bestimmten Betriebspunkt als Systemantwort einer Sprungfunktion dynamisch ermittelt. In einer dynamischen Simulationsumgebung wird somit die Temperatur iterativ berechnet. Zunächst werden dabei also die Zeitkonstante und die Gleichgewichtstemperatur festgelegt. Basierend auf zumindest der Ist-Temperatur wird für den nächsten Zeitschritt die Temperatur gemäß einem PT-1 Glied bestimmt: $T_{i + 1} = T_{i} + (T_{\infty} - T_{i}) \cdot (1 - e^{\frac{- Δ t}{τ}})$
mit
T_i= Ist-Temperatur
T_i+1= Temperatur nach dem nächsten Zeitschritt
T_∞= Gleichgewichtstemperatur für einen vorgegebenen Betriebspunkt Δt= Größe des Zeitschrittes zur Bestimmung der Änderungsrate
τ= vorbestimmte Zeitkonstante
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

1 schematisch die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 der Temperatur-Zeitverlauf gemäß der mathematischen Grundlage eines PT-1 Gliedes,
3 die zeitliche Wirkung der Anwendung der Erfindung auf den Temperaturverlauf über verschiedene Zeitschritte,
4 die zeitliche Wirkung eines an sich bekannten ersten Simulationsmoduls auf die Temperatur und
5 die zeitliche Wirkung eines zweiten neuen Simulationsmoduls auf die Temperatur.

In 1 ist ein Simulationsrechner 1 dargestellt, der ein erstes Simulationsmodul 2 zur Bestimmung einer statischen Gleichgewichtstemperatur K jeweils für einen bestimmten vorausliegenden Betriebspunkt (siehe auch 4) und ein zweites Simulationsmodul 3 zur Bestimmung eines transienten Temperaturverlaufs auf Basis eines PT-1 Gliedes (siehe auch 5) aufweist. Die jeweilige statische Gleichgewichtstemperatur ist erfindungsgemäß als jeweilige Multiplikationskonstante K des PT-1 Gliedes festgelegt.
Die genaue mathematische Formel mit den relevanten Parametern eines PT-1 Gliedes ist in 2 gezeigt und wurde auch weiter oben beschrieben.
Gemäß 1 ist eine weitere Eingangsgröße des zweiten Simulationsmoduls 3 die bekannte empirisch ermittelte Zeitkonstante τ für das PT-1 Glied, die auf vorangegangenen Messungen in einem realen Testfahrzeug beruht. Die Zeitkonstante τ für das PT-1 Glied könnte alternativ ebenfalls simuliert werden.
Ebenso ist eine weitere Eingangsgröße des ersten Simulationsmoduls 2 und des zweiten Simulationsmoduls 3 die jeweilige Ist-Temperatur T, hier beispielhaft als eine Temperatur T _{K_IST}, die beispielsweise auf eine Mischklappe, auf eine Defrostklappe und/oder auf eine andere Luftausblasklappe im Fahrzeuginnenraum bezogen sein kann. Die jeweilige Ist-Temperatur T, hier T _{K_IST}, ist Additionskonstante c für das PT-1 Glied.
1 zeigt das Ergebnis des ersten Simulationsmoduls 2 und des zweiten Simulationsmoduls 3 im Vergleich. Eine genauere Darstellung dieses Vergleichs ist in den 4 und 5 gezeigt.
Im ersten Simulationsmodul 2 werden lediglich die statischen Gleichgewichtstemperaturen K zeitkontant, also nach zeitlich definierten gleichen Abständen Δt, ermittelt (genauer in 4 dargestellt).
Im zweiten Simulationsmodul 3 werden die transienten Temperaturverläufe bis zum Erreichen der jeweiligen statischen Gleichgewichtstemperaturen K ermittelt. Eine genauere Darstellung hierzu ist in 5 gezeigt. Aus 5 geht auch hervor, dass vorzugsweise die Änderungsrate Δt/τ des PT-1 Gliedes im zweiten Simulationsmodul 3 durch die zeitlich definierten gleichen Abstände Δt der vorgegebenen Betriebspunkte zur Bestimmung der jeweiligen Gleichgewichtstemperatur K im ersten Simulationsmodul 2 vorgegeben ist.
3 zeigt ergänzend den Zeitverlauf eines transienten Temperaturverhaltens für einzelne Zeitschritte innerhalb eines zeitlichen definierten Abstandes Δt bis zu einer erster Gleichgewichtstemperatur K (siehe auch gestrichelte Kreise in mehreren Figuren zur Kennzeichnung eines Betriebspunktwechsels als Beispiel).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015217177 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur modell-basierten Kalibrierung von Heiz- und/oder Klimaanlagen in einem Kraftfahrzeug mit einem Simulationsrechner (1), der ein erstes Simulationsmodul (2) zur Bestimmung einer statischen Gleichgewichtstemperatur (K) jeweils für einen bestimmten vorausliegenden Betriebspunkt (t1, t2, usw.) und ein zweites Simulationsmodul (3) zur Bestimmung eines transienten Temperaturverlaufs auf Basis eines PT-1 Gliedes aufweist, wobei die jeweilige statische Gleichgewichtstemperatur (K) oder die Differenz von der aktuellen Temperatur (T _{K_IST}) zur jeweiligen Gleichgewichtstemperatur (K) als jeweilige Multiplikationskonstante (K) des PT-1 Gliedes festgelegt ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Eingangsgröße des zweiten Simulationsmoduls (3) eine bekannte empirisch ermittelte oder ebenfalls simulierte Zeitkonstante (τ) für das PT-1 Glied ist, die auf vorangegangenen Messungen in einem realen Testfahrzeug beruht.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Eingangsgröße des zweiten Simulationsmoduls (3) die jeweilige Ist-Temperatur (T _{K_IST}) als Additionskonstante (c) für das PT-1 Glied ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsrate (Δt/τ) des PT-1 Gliedes im zweiten Simulationsmodul (3) durch die zeitlich definierten gleichen Abstände (Δt) der vorgegebenen Betriebspunkte zur Bestimmung der jeweiligen Gleichgewichtstemperatur (K) vorgegeben ist.
Computerprogrammprodukt zur Realisierung des zweiten Simulationsmoduls (3) für die Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche.